Cette série raconte les aventures d'une experte anthropologue, Temperance Brennan, et de son équipe à l'institut Jefferson (une allusion au Smithsonian Institution). Elle est appelée à travailler en collaboration avec le FBI dans le cadre d'enquêtes criminelles, lorsque les méthodes classiques d'identification des corps ont échoué. Temperance travaille à partir des squelettes (d'où son surnom éponyme de la série : « Bones » qui signifie « ossements » en anglais).

L'héroïne est secondée par un agent du FBI, Seeley Booth, avec lequel elle entretient des rapports tantôt conflictuels, tantôt complices. Elle s'appuie également sur une équipe de scientifiques qui sont autant de personnages secondaires : Angela Montenegro, la meilleure amie de Brennan, qui a inventé un logiciel pour reconstituer une scène de crime en images tridimensionnelles ; l'assistant de Brennan, Zack Addy, jeune surdoué ; et le Dr Jack Hodgins, expert en insectes, spores et minéraux.